Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Radioaktivität S. 1 Radioaktivität Radioaktivität, ein Thema für die Chemie? Gründe das Thema Radioaktivität im Grundlagenfach Chemie zu unterrichten Gründe Radioaktivität nicht zu thematisieren Fragen 1 Was versteht man unter dem Begriff Radioaktivität? Was ist ein Isotop, Nuklid? Was beeinflusst die Stabilität von Atomkernen? Was passiert bei einem radioaktiven Zerfall? Welche Arten von radioaktiver Strahlung gibt es? Wie kann man radioaktive Strahlung sichtbar machen? Fragen 2 Was passiert bei einem Atomunfall? Z. Bsp. in Fukushima Wie funktioniert eine Atombombe oder ein Atomkraftwerk? Warum ist Radioaktivität gefährlich? Was geschieht mit radioaktiven Abfällen? Gibt es Fische mit 3 Augen wie in der Zeichentrickserie Die Simpsons? Welche Fragen sollten im Unterricht beantwortet werden? Im folgenden Vorschlag sind die wichtigsten Themen der Radioaktivität in Frageform formuliert. Sie geben das Gerüst meines Unterrichts. Es handelt sich um eine Mischung von Schüler- und Lehrerfragen, die stellen den Versuch dar, das Interesse der Schülerinnen zu wecken und den Unterricht doch in einer wissenschaftlich sinnvollen Art zu entwickeln: Von den Strahlenarten geht es zur biologische Wirkung, zu Kernspaltung, Kernkraftwerken und radioaktivem Abfall. Was heisst radioaktiv? Warum sind radioaktive Strahlen gefährlich? Wie baut man eine Atombombe? Warum haben Atombomben eine verheerende Wirkung? Wie kann aus Atomen Strom erzeugt werden? Warum geht dabei 60 % der Energie verloren?
Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Radioaktivität S. 2 Was entweicht aus dem Kühlturm? Was passiert bei einem Atomunfall? Z. Bsp. in Fukushima Warum kann ein Kernkraftwerk nie so explodieren wie eine Bombe? Was geschieht mit dem radioaktiven Abfall? Welche Fachbegriffe sollten erklärt werden? Radioaktiver Zerfall: a-, b- und g-strahlen, Halbwertszeit, Zerfallsreihe, Radon, Sievert Kernspaltung: Spaltbares Uran, Anreicherung, Gaszentrifugen, Kettenreaktion, kritische Masse, langsame Neutronen, Moderator, Massendefekt Persönliche Erfahrung: Die Radiocarbonmethode ist schwierig zu erklären. Zudem kennen die Schülerinnen und Schüler die Exponentialfunktion selten und interessieren sich kaum für die Altersbestimmung. Ich behandle dieses Thema deshalb nicht mehr. Unterrichtsvorschlag Was ist Radioaktivität? Einstieg vor dem Periodensystem, das die radioaktiven Elemente deutlich zeigt: Einige Atome sind radioaktiv, d.h. sie senden ionisierende Strahlen aus dem Atomkern. Beispiele: Ra, U, Pu, Rn. Aber auch die stabilen Elemente haben radioaktive Isotope. Beispielsweise Kohlenstoff: 12 C und 13 C sind stabil, 14 C dagegen radioaktiv. Einführung der Strahlenarten an der Wandtafel
Grundlagenfach: Radioaktivität S. 3 Fachdidaktik Chemie ETH Aufgabe: Uran-Radium-Zerfallsreihe Lösung Lösung Entstehung des Rn-222 und seiner Folgeprodukte in bodennaher Luft. aus: Martin Volkmer, Radioaktivität und Strahlenschutz, Informationskreis KernEnergie, Berlin, Abb. 8.4 (2007). Die Halbwertszeit Die Halbwertszeit ist die Zeit, in der die Hälfte der Atomkerne zerfallen und ein α- oder β-teilchen abgeben. Bsp. Kohlenstoff-14 hat eine Halbwertszeit von 5730 Jahren Amadeus Bärtsch 19. Okt. 2018
Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Radioaktivität S. 4 Demonstration Geigerzähler Die Zerfälle in 10 Sekunden messen. Wichtig ist, dass der Geigerzähler knattert. Vorgehen: Wie gefährlich sind radioaktive Strahlen? Die Radiation Dose Chart gibt eine eindrückliche graphische Darstellung: https://commons.wikimedia.org/wiki/file%3aradiation_dose_chart_by_xkcd.png Biologische Wirkung hoher Dosen 100 msv Tiefste Jahresdosis, bei der eine erhöhte Krebsrate festgestellt wurde 400 msv in kurzer Zeit erzeigt Symptome der Strahlenkrankheit 2000 msv starke Strahlenkrankheit, die in einigen Fällen zum Tod führt 8000 msv Strahlenkrankheit ohne Überlebenschance (Angaben aus der Radiation Dose Chart)
Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Radioaktivität S. 5 Mittlere Jahresdosis der Schweizer Bevölkerung Spezielle Bestrahlungen in msv/jahr medizinische Anwendung 1,0 msv Radon in Wohnräumen 1,6 msv übrige 0,2 msv kosmische Strahlung 0,35 msv terrestrische Strahlung 0,45 msv innere Bestrahlung 0,4 msv 0,01 1 Jahr in der Nähe eines KKWs wohnen 0,035 für Bewohner, die 100 m höher wohnen als andere 0,04 2 Wochen Skifahren auf 2000 m 0,05 2 Jet-Flüge zu 5 h pro Jahr 0,25 800 Liter Trinkwasser pro Jahr 3,0 80 Liter Mineralwasserkonsum pro Jahr 4,0 als Crew von Jet-Flugzeugen 8,0 ein mittelstarker Raucher 8,0 14-tägige Kur in Bad Gastein 60% der Strahlung stammen aus natürlichen Quellen, 32% aus Medizin und nur 0,2 aus KKW, Forschung und Technik. Einwohner von Kerala, Indien 10,0 innere Zone, 4500 Einwohner 20,0 Kernzone, 470 Einwohner 200,0 Kurpersonal im Zentrum von Bad Gastein Quelle: http://www.ffe.ch/fileadmin/data_autoren/dokumente/infoblatt_juni2002.pdf Zugriff am 19.10.2008 oder http://www.win-swiss.ch/de/radioaktivitaet.htm am 19.10.2011 Die gesamte Jahresbelastung in der Schweiz beträgt ungefähr 4 msv. Die Dosen durch Radon und medizinische Anwendungen variieren stark. In den medizinischen Anwendungen von 1 msv wurde lediglich die Röntgendiagnostik, nicht aber die Bestrahlung bei Krebs berücksichtigt. Computertomographie: Bauchraum (13 msv) Kopf (2 msv) Lendenwirbelsäule (7 msv) Röntgen-Aufnahme und Durchleuchtung: Darm (9 msv) Harntrakt (3 msv) Magen (6 msv) Röntgen-Aufnahme: Brustkorb (0,03 msv) Gliedmaßen (0,05 msv) Mammographie (0,3 msv) Zahn (0,01 msv) Angaben aus http://www.kernenergie.de/kernenergie/service/dosisrechner/index.php Erkenntnisse
Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Radioaktivität S. 6 Kernspaltung Präsentationen: Kernspaltung, Kettenreaktion, kritische Masse von www.fdchemie.pbworks.com Animation mit Arbeitsblatt http://phet.colorado.edu/en/simulation/nuclear-fission Mit dieser Animation kann Kernspaltung, Kettenreaktion, kritische Masse und Anreicherung demonstriert oder von der Schülerinnen selbständig erarbeitet werden. Skript für die Schüler: Kernspaltung graphisch in Worten n + 235 U 90 Kr + 143 Ba + 3 n 1,0087u 235,0439u 89,9252u 142,9267u 1,0087u E = m c 2 E = 0,00074 kg (3 10 8 m/s) 2 = 6,66 10 13 J Zum Vergleich: 1 kg TNT erzeugt 4520 kj Die Spaltung von 1 kg Uran entspricht demnach 14'700'000 kg TNT = 14,7 Kilotonnen TNT Kettenreaktion graphisch in Worten Die Lehrperson erklärt mit der oben erwähnten Präsentation die Begriffe Kettenreaktion und kritische Masse. Die Schülerinnen halten die Erklärung anschliessend in eignen Worten fest.
Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Radioaktivität S. 7 Rezept für den Bau einer Atombombe Für den Bau einer Atombombe benötigt man 1. Viel 235 Uran In Hiroshima 64 kg Uran mit 80 % 235 U 2. Sprengstoff bringt die unterkritischen Massen zusammen 3. Der Tamper reflektiert Neutronen 4. Starke Hülle hält das Material möglichst lange zusammen. Die Hülle enthält mit Vorteil abgereichertes Uran. Bemerkung: In einer Bombe werden die 235 Uran-Kerne von schnellen Neutronen gespalten. Nur so wird in kürzester Zeit sehr viel Energie frei. Allerdings braucht man eine starke Anreicherung damit es zu einer Kettenreaktion mit schnellen Neutronen kommt. Die Anreicherung ist schwierig Wenn Uran abgebaut wird, erhält man 99,3 % 238 U und nur 0,7 % spaltbares 235 U. Der geringfügige Unterschied in der Atommasse muss für die Anreicherung ausgenützt werden. Einfache Trennmethoden können nicht eingesetzt werden. Bild aus http://de.wikipedia.org/wiki/uran-anreicherung Cascade of gas centrifuges used to produce enriched uranium. This photograph is of a the U.S. gas centrifuge plant in Piketon, Ohio from 1984.
Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Radioaktivität S. 8 Atombomben im 2. Weltkrieg In den USA wurden 3 Atombomben gebaut. Die erste diente als Test. Die beiden andern wurden über Hiroshima und Nagasaki abgeworfen, obwohl Japan bereits signalisiert hatte, dass es kapitulieren wollte. Vgl. F. Coulmas, Hiroshima und Nagasaki, NZZ, 8.8.2005, S. 23. Sehr eindrücklich ist der Dokumentarfilm von Hans-Dieter Grabe: "Hiroshima, Nagasaki Atombombenopfer sagen aus", der auch den geschichtlichen Hintergrund beleuchtet. https://www.youtube.com/watch?v=a4qa19ufxg0. Im Unterricht können zum Beispiel die ersten 7 Minuten gezeigt werden; allenfalls mit einer Verlängerung bis Minute 12. Persönliche Empfehlung: Filme in Ausschnitten von maximal 10 Minuten zeigen. Atombombe und Krebs Überlebende von Hiroshima und Nagasaki wurden medizinisch betreut. Bis 1990 wurden 38 100 Todesfälle registriert. Bei einer Vergleichsbevölkerung ohne radioaktive Belastung sterben 7 406 von 38 100 an Krebs. Wie viele Überlebende der Atombomben in Japan starben an Krebs? Ihre Schätzung:... von 38 100 Todesfällen. (Angaben von H.-J. Pfeiffer, Paul-Scherrer-Institut aufgrund von Pierce, Rad. Res. 146, 1-27, 1996) Kernkraftwerk Wie kann die Bombe gezähmt und die Kernspaltung in einem Kernkraftwerk genutzt werden? 1. Kettenreaktion kontrollieren 2. Energie abführen und nutzen 3. Gamma-Strahlen abschirmen, die bei der Kernspaltung entstehen 4. Spaltprodukte sind radioaktiv und dürfen nicht in die Biosphäre gelangen Empfehlung: Zuerst die Übersicht, dann die Details
Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Radioaktivität S. 9 Erkenntnisse: Wie die Kettenreaktion kontrolliert werden kann Die Prozesse im Reaktor eines Kernkraftwerks (http://www.kernenergie.de/kernenergie/service/downloads/index.php am 29.10.2015) Reaktor hochfahren Reaktor abstellen Literatur Martin Volkmer, Kernenergie Basiswissen (2013). Mit hervorragenden Abbildungen und in einfachen Worten erklärt das Heft alles, was zu Radioaktivität und Kernenergie am Gymnasium von Bedeutung ist. Das Dokument kann unter http://www.kernenergie.de/kernenergie/publikationen/ heruntergeladen und für Unterrichtszwecke vervielfältigt werden (23.12.2017).
Fachdidaktik Chemie ETH Grundlagenfach: Radioaktivität S. 10 Tendenziöse Information Der Brennstoffkreislauf In der Broschüre wird das Bild folgendermassen kommentiert: "Das Uran stammt aus der Erde und die Abfälle bringt man ebenfalls wieder zurück in die Erde. Der Kreislauf ist geschlossen. Ein Kernkraftwerk entzieht dem Uran gewissermassen die Energie" Was halten Sie von dieser Beschreibung? Quelle: Kernkraftwerk Gösgen, Informationen für Schulen, www.kkg.ch (19.10.2008) Werbung: Radioaktive Abfälle